Турбина газовая фото

Конструкция газовых турбин

Газотурбинные установки (ГТУ) востребованы в промышленности, транспортной сфере, широко используются в энергетической отрасли. Это не очень сложное по конструкции оборудование, которые имеет высокий КПД и экономично в использовании.

Газовые турбины во многом схожи с двигателями, работающими на дизеле или бензине: как и в ДВС, тепловая энергия, получаемая при сгорании топлива, переходит в механическую. При этом в установках открытого типа используются продукты сгорания, в закрытых системах – газ или обычный воздух. Одинаково востребованы и те, и другие. Кроме открытых и закрытых, различают турбокомпрессорные турбины и установки со свободно-поршневыми газогенераторами.

Проще всего рассмотреть конструкцию и принцип работы газовой турбины на установке турбокомпрессорного типа, которая работает при постоянном давлении.

Конструкция газовой турбины

Газовая турбина состоит из компрессора, воздухопровода, камеры сгорания, форсунки, проточной части, неподвижных и рабочих лопаток, патрубка для отработанных газов, редуктора, гребного винта и пускового двигателя.

За запуск турбины отвечает пусковой двигатель. Он приводит в движение компрессор, который раскручивается до нужной частоты вращения. Затем:

компрессор захватывает воздух из атмосферы и сжимает его;
воздух отправляется в камеру сгорания через воздухопровод;
через форсунку в ту же камеру входит топливо;
газ и воздух смешиваются и сгорают при постоянном давлении, в результате образуются продукты сгорания;
продукты сгорания охлаждают с помощью воздуха, после чего они поступают в проточную часть;
в неподвижных лопатках смесь газов расширяется и ускоряется, затем направляется на рабочие лопатки и приводит их в движение;
отработанная смесь выходит из турбины, по патрубку;
турбина передает кинетическую энергию компрессору и гребному винту посредством редуктора.

Таким образом, газ в смеси с воздухом, сгорая, образует рабочую среду, которая, расширяясь, ускоряется и раскручивает лопатки, а за ними – и гребной винт. В последующем кинетическая энергия превращается в электричество или используется для передвижения морского судна.

Сэкономить на топливе можно, используя принцип регенерации тепла. В этом случае воздух, поступающий в турбину, согревается за счет отработанных газов. В результате установка расходует меньше топлива и происходит больше кинетической энергии. Регенератор, где подогревается воздух, одновременно служит для охлаждения отработанных газов.

Особенности ГТУ закрытого типа

Газовая турбина открытого типа забирает воздух из атмосферы и выводит отработанный газ наружу. Это не очень эффективно и опасно, если установка стоит в закрытом помещении, где работают люди. В этом случае используют ГТУ закрытого типа. Такие турбины не выпускают отработанные рабочее тело в атмосферу, а направляют его в компрессор. Оно не перемешивается с продуктами сгорания. Как результат, рабочая среда, циркулирующая в турбине, остается чистой, что увеличивает ресурс установки и сокращает количество поломок.

Однако закрытые турбины имеют слишком большие габариты. Газы, которые не выходят наружу, должны быть достаточно эффективно охлаждены. Это возможно только в больших теплообменниках. Поэтому установки используют на крупных судах, где достаточно места.

Закрытые ГТУ могут иметь и ядерный реактор. В качестве теплоносителя в них используют углекислый газ, гелий или азот. Газ нагревают в реакторе и направляют в турбину.

ГТУ и их отличия от паровых турбин и ДВС

Газовые турбины отличаются от ДВС более простой конструкцией и легкостью ремонта. Важно и то, что в них не предусмотрен кривошипно-шатунный механизм, который делает ДВС громоздким и тяжелым. Турбина легче и меньше двигателя аналогичной мощности приблизительно в два раза. Кроме того, она может работать на топливе низкого сорта.

От паровых газовые турбины отличаются небольшими габаритами и простым запуском. Обслуживать их легче, чем установки, работающие на пару.

Имеют турбины и недостатки: они не настолько экономичны по сравнению с ДВС, сильнее шумят, быстрее приходят в негодность. Впрочем, это не мешает использовать ГТУ в транспорте, промышленности и даже быту. Турбины устанавливают на морских и речных судах, используют в электростанциях, насосном оборудовании и многих других сферах. Они удобны и мобильны, поэтому применяются достаточно часто.

23 августа 2017

Поделитесь ссылкой со своими друзьями:

Мощно: в России запустили свою газовую турбину

В России заработала первая «большая» газовая турбина, полностью разработанная отечественными конструкторами. Стендовые испытания ГТД-110 завершились, сейчас машину ввели в опытно-промышленную эксплуатацию на энергоблоке Ивановских ПГУ. Российская энергетика в этом отношении до сих пор зависит от зарубежных партнеров: турбины либо поставляются из-за границы, либо создаются по импортным технологиям. Отечественный агрегат — прежде всего вопрос энергетической безопасности. Подробнее о нем — в материале «Известий».

От испытаний к серийному производству

Модернизацией газотурбинной установки пять лет занимается совместная компания Группы «Роснано», ПАО «ОДК-Сатурн» и «Интер РАО». После 700 часов успешных стендовых испытаний разработчики перешли ко второй стадии, переставив машину уже в серийный блок Ивановских ПГУ (работают в Единой энергетической системе). «Если к октябрю установка докажет свою эффективность и безопасность, она останется на электростанции в промышленной эксплуатации, а затем можно перейти к ее серийному производству», рассказал зампредправления УК «Роснано» Юрий Удальцов

В конце 2017 года в ходе стендовых испытаний на другом двигателе, созданном по проекту ГТД-110, произошла авария. Разработчики отмечают, что она не была связана с конструкцией двигателя. По мнению директора Института менеджмента инноваций ВШЭ Дана Медовникова, с «детскими болезнями» при создании машины сталкивались и зарубежные производители.

«Когда на Западе появлялись газовые турбины, в реальную эксплуатацию уходили вещи далеко не из первой серии. Надо выпустить семь или восемь агрегатов, чтобы устранить проблемы. Это очень сложное техническое устройство, всего сразу не учтешь, необходимо наблюдать за его работой в реальном времени. Поэтому сбои при испытаниях первых российских турбин — абсолютно нормальная мировая практика. К счастью, у тех, кто принимает решения, хватило терпения и понимания, чтобы продолжить работу», — отметил он.

Медовников добавил, что турбиностроение — высокотехнологическая отрасль, работать в которой могут себе позволить немногие страны. «Есть, конечно, лидеры рынка вроде General Electric и Siemens, которые прошли через все эти трудности, многолетние испытания, «детские болезни» и пр. Там же очень много разных тонкостей. Сама машина — это высочайшее произведение технологического искусства, поэтому попытка создать ее самим — это серьезный вызов», — сказал руководитель института ВШЭ.

По словам Удальцова, конструкторам при доработке удалось улучшить характеристики ГТД-110. К примеру, мощность двигателя увеличилась со 110 до 115 МВт. Поднялся и КПД газовой турбины: сначала он составлял 35,5%, сейчас — 37%, а в составе парогазовой установки достигает 52%.

Слабое место российской энергетики

Газовая турбина является ключевым элементом парогазового цикла — самой эффективной сегодня технологии в традиционной тепловой энергетике. Суть в том, что на парогазовых установках (ПГУ) электричество производится дважды — с помощью газовой, а затем паровой турбины. На выходе из первой газ всё еще остается горячим. Эту тепловую энергию можно использовать, чтобы подогреть котел с водой: вырабатываемый пар запускает вторую турбину.

В Советском Союзе парогазовые установки (ПГУ) строили только экспериментально, не стремясь экономить топливо на ТЭС — природный газ. С появлением в России оптового рынка электроэнергетики в последние 10 лет технология оказалась востребована. За это время на электростанциях в разных регионах появилось более 25 ГВт новых блоков ТЭС, преимущественно парогазовых, но на них стояли либо импортные газовые турбины, либо изготовленные по зарубежным технологиям.

Зависимость от импорта привела к скандалу в 2017 году. Тогда в Крыму строили две электростанции, для которых нужны были газовые установки. Сначала пытались закупить машины Siemens, произведенные на совместном предприятии в России, но немецкий концерн отказался из-за западных санкций по отношению к полуострову. В итоге турбины Siemens закупили на вторичном рынке и обновили силами российских заводов, однако в российской энергетике еще острее проявилась проблема отсутствия своих газотурбинных технологий.

Пока установка ГТД-110 — единственная российская газовая турбина большой мощности, уже исполненная в «железе». Над созданием собственной газовой турбины работают и «Силовые машины». Предприятие намерено выпустить турбины мощность 65 МВт и 170 МВт, но пока о воплощении в жизнь этих разработок ничего не известно. Концерн занимался производством установок по технологии Siemens. В начале июля глава филиала в России Дитрих Мёллер заявил, что компания готова увеличить глубину локализации турбин с 60% до 90%, то есть доверить российским партнерам почти весь цикл производства. Участники рынка отнеслись к этой идее с сомнением: едва ли Siemens захочет поделиться всей ценной документацией с российскими машиностроителями.

«Для таких чувствительных технологий всегда существуют проблемы. Никто нам таких технологий передавать, мне кажется, не будет. Они критически важны для любой национальной экономики. Даже с импортом не все гладко, не говоря уже о локализации. Речь идет об энергетической безопасности страны и экономики, поэтому, конечно, такие важные вещи, как газовая турбина, надо уметь делать самим», — подчеркнул Медовников. Он добавил, что создание работающей ГТД-110 — огромное достижение для России.

В 2019 году в России стартует новая масштабная программа модернизации тепловой энергетики. На нее потратят 1,4 млрд рублей, значительная часть этой суммы пойдет на современное энергооборудование. Его предстоит обслуживать и ремонтировать не одно десятилетие, поэтому полагаться на иностранных поставщиков газовых турбин как минимум недальновидно.

Все о транспорте газа

Газотурбинная установка (ГТУ) – машина, преобразующая тепловую энергию в механическую и состоящая из одного или нескольких компрессоров (чаще осевого типа), теплового устройства для нагрева рабочего тела, одной или нескольких турбин, системы регулирования и необходимого вспомогательною оборудования (рис. 1). Полезная мощность в ГТУ совершается за счет внутренней энергии газового потока, поступаюшего с большой скоростью на лопатки ротора турбины.

При работе турбины атмосферный воздух засасывается в осевой компрессор 3, сжимается и поступает в камеру сгорания 1. Одновременно часть воздуха направляется в кольцевое пространство между стенкой и корпусом камеры сгорания. Внутрь камеры сгорания непрерывно поступает топливо, сгорающее при постоянном давлении. Поэтому из камеры сгорания непрерывной струей выходят продукты сгорания, направляющиеся в сопла. В соплах энергия давления в результате расширения газа преобразуется в кинетическую энергию газовой струи, поступающей на лопатки турбины. Воздух, омывающий жаровую трубу камеры сгорания, охлаждает ее и, смешиваясь с продуктами сгорания, выходящими из жаровой трубы, также поступает в турбину 2. Примешивание этой доли воздуха к продуктам сгорания, имеющим высокую температуру – около 1800-2000 °С, необходимо для снижения температуры газов до величины, безопасной для металла лопаток газовой турбины. Поэтому общее количество воздуха, сжимаемого втурбокомпрессоре 3, значительно (в 6 раз и более) превышает количество воздуха, теоретически необходимого для сгорания топлива.

Общее представление о принципах работы турбины можно получить при рассмотрении устройства простейшей активной турбины (рис. 2).

На валу 1 насажен диск 2, по ободу которого на равных расстояниях закреплены рабочие лопатки . Слева от рабочих лопаток в корпусе 5 размешено сопло 4, представляющее собой криволинейный канал плавного очертания. При постоянном расходе газа за счет сужения канала в пределах сопла скорость потока возрастает, а давление уменьшается от р₀ до р₁ . Следовательно, в пределах сопла потенциальная энергия потока превращается в кинетическую.

При выходе из сопла поток газа попадает на рабочие лопатки под таким углом наклона a 1 , который обеспечивает плавное скольжение потока в межлопаточных каналах. При движении потока вдоль изогнутого контура рабочих лопаток возникают элементарные силы, результирующая которых представляет собой усилие, вращающее лопатки, т. е. механическую работу. Механическая работа потокагаза на лопатках определяется только вращающим усилием и частотой вращения. При вращательном движении рабочих лопаток скорость газа при выходе из них меньше скорости на входе. Это означает, что на рабочих лопатках происходит второе превращение энергии – кинетическая энергия потока газа частично переходит в механическую энергию вращения лопаток.

Турбины, в которых поток газа движется параллельно валу, называют аксиальными, а турбины, в которых поток газа движется перпендикулярно к валу, — радиальными. Заводы выпускают в основном аксиальные газовые турбины.

Смежные ряды сопел и рабочих лопаток образуют одну ступень давления. Поэтому турбину такого типа называют одноступенчатой. Диаметр диска 2, измеренный по средней высоте рабочих лопаток d , называют расчетным диаметром ступени давления. Между вращающимися и неподвижными деталями всегда имеются зазоры (см. рис. 2) в радиальном и аксиальном направлениях.

На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа в активной одноступенчатой турбине (см. рис. 2) видно, что давление падает только в соплах, где и происходит увеличение абсолютной скорости потока с с₀до с₁ . На рабочих лопатках, в зазоре между соплами и лопатками давление практически постоянно. Отдельные ступени или турбины в целом, в которых давление потока газа на рабочих лопатках остается постоянным, называются активными. Те же ступени или турбины в целом, в которых давление меняется и в соплах и на рабочих лопатках, называются реактивными.

При однократном расширении в соплах одноступенчатой гурбины скоростью газа при входе его на рабочие лопатки оказывается настолько большой, что на одном ряду лопаток достаточно полно использовать ее нельзя. Поэтому одноступенчатые турбины применяют в основном для привода различных вспомогательных устройств.

На рис.3 в продольном разрезе и развертке по окружности проточной части дана схема активной турбины с двумя ступенями скорости. (Обозначения 1 соответствуют обозначениям на рис. 2). Газ из первого ряда рабочих лопаток поступает в неподвижные напщие лопатки 7. Эти лопатки сходны по профилю с рабочими лопатками, но изогнуты в противоположную сторону. Направляющие лопатки крепят в корпусе 5 турбины против сопел. Далее газ поступает на второй ряд рабочих лопаток 6. Такой двукратный пропуск потока по рабочим лопаткам позволяет уменьшить потерю кинетической энергии с выходной скоростью и этим увеличить к.п.д. На графике изменения давления и абсолютных скоростей газа по ступеням турбины (см. рис. 3) видно, что расширение газа происходит только в соплах, т. е. эта турбина является активной. Поэтому абсолютная скорость потока газа достигает максимального значения с ₁ , при выходе из сопел. Далее поток газа попадает на рабочие лопатки первой ступени скорости, где совершает работу. Абсолютная скорость при выходе с ₂ еще довольно велика. Поток далее попадает в направляющие лопатки, где его абсолютная скорость несколько уменьшается от с₂ до с` ₁ за счет потерь, а затем газ поступает нa рабочие лопатки второй ступени Здесь совершается дополнительная работа, соответствующая уменьшению абсолютной скорости от c` ₁ до с` ₂ . Во всех зазорах давление принимается постоянным.

Наклон линии абсолютной скорости на рабочих лопатках первой и второй ступеней и на направляющих лопатках различен. Это связано с тем, что на рабочих лопатках скорость уменьшается и при превращении в механическую работу и ввиду потерь, между тем как в направляющих лопатках уменьшение скорости происходит только за счет потерь.

Рабочие лопатки ступеней скорости для уменьшения стоимости и упрощения конструкции почти всегда ставят на общем диске, который называют диском Кертиса. Принцип работы реактивных и комбинированных турбин.

В реальных ГТУ, эксплуатируемых на компрессорных станциях, используют в основном комбинированные ступени, т.е. ступени с определенной степенью реакции. Поток газа воздействует на рабочие лопатки реактивной турбины не только но причине изменения скорости, приобретенной в соплах (активное усилие), но также и вследствие реакции потока газа. Это воздействие возникает в них при уменьшении давления и увеличении за счет этого относительной скорости (реактивное усилие) . Реактивное усилие аналогично отдаче ружья при выстреле.

Газовые турбины

Несколько слов можно сказать и о газовых турбинах. Газовые турбины как силовые машины известны с конца 19-го века. Так, например, в книге С.Балдина «Двигатели внутреннего горения» выпуска 1923 года, уже есть глава, посвященная конструкции и использованию газовых турбин.

Такие силовые машины очень хорошо зарекомендовали себя в конструкционных схемах высокой и средней мощности, и больших и средних массо – габаритных параметров. Но вот в малых по размеру схемах малой мощности от 800 – 600 кВт и ниже, турбины резко теряют все свои преимущества. А в вариантах мощности 50-150 кВт даже заметно уступают по рабочим характеристикам поршневым моторам. Дело в том, что при уменьшении диаметра ротора резко падает плечо рычага приложения сил давления рабочих газов, что значительно уменьшает значение крутящего момента на валу турбины. Кроме того, турбины имеют очень высокие обороты вала, что требует применения сложных планетарных редукторов. А температура выхлопных газов гораздо выше, чем у поршневых моторов, и это будет требовать применения громоздких систем глушения выхлопа.

При этом турбины продолжают и в таком исполнении требовать в 6-8 раз больше воздуха, чем поршневые моторы, и поэтому на наземный транспорт приходится ставить очень громоздкие и требующие частой смены воздушные фильтры. Пример: танк Т-80 производства Омского завода, имеет в качестве двигателя газовую турбину на 1000 л.с.- практически вариант вертолетного двигателя. Главная проблема этой машины в том, что в условиях реального действия в полевых условиях воздушные фильтры очень быстро забиваются пылью и турбина резко наинает терять мощность в условиях недостатка воздуха. А в условиях боевых действий менять воздушные фильтры очень непросто… У американцев на танке М-1 «Абрамс» (Abrams) похожие проблемы…

Вот краткие характеристики силовой установки американского танка: Газотурбинный двигатель AVCO Lycoming AGT-1500 мощностью 1232 кВт (1500 л.с) выполнен в едином блоке с автоматической гидромеханической трансмиссией X-1100-3B. Блок массой 3860 кг может быть заменён менее чем за 1 ч.

На фото-cмена силовой установки на «Абрамс». На боковине корпуса справа видна большая решетка воздухозаборника с фильтром

Выбор газотурбинного двигателя американские специалисты объясняют рядом его преимуществ по сравнению с дизелем той же мощности. Меньшая масса, относительная простота конструкции, повышенная надёжность и ресурс. Также ГТД имеет пониженную задымлённость и шумность, лучше удовлетворяет требованиям многотопливности, гораздо легче запускается при низких температурах. Основными недостатками являются повышенный расход топлива и воздуха (в результате система воздухоочистки занимает втрое больший объём по сравнению с дизелем).

AGT-1500 является трёхвальным двигателем с двухкаскадным осецентробежным компрессором, индивидуальной камерой сгорания тангенциального расположения, свободной силовой турбиной с регулируемой сопловым аппаратом и стационарным кольцевым пластинчатым теплообменником. Сопловые и рабочие лопатки первой ступени турбины высокого давления охлаждаются воздухом, отбираемым на выходе из компрессора и подаваемым через отверстия в хвостовиках лопаток. Максимальная температура газа в турбине 1193 °C. Редуктор, размещённый внутри корпуса теплообменника, уменьшает число оборотов на выводном валу ГТД до 3000 об/мин. Двигатель обеспечивает танку М1 «Абрамс» весом 55 тонн высокую приёмистость — до скорости 30 км/ч танк разгоняется за 6 с.

Именно потому, что газовые турбины в малом массогабаритном исполнении резко теряют все свои положительные характеристики и не имеют уже преимуществ перед опычными поршневыми моторами, а недостаки сохраняют, их использование в автомобилях не имеет смысла.

ВСУ танка Т-80 в разрезе.

Самая маленькая газовая турбина, которую автору удалось видеть — это вспомогательная силовая установка российских танков Т-80У. Установка ГТА-18А объединяет в себе турбодвигатель и генератор постоянного тока и используется для запуска основного двигателя (стартер) и для обеспечения электроэнергией танка при отключенном основном двигателе. Этот агрегат имеет мощность 18 кВт, вес турбодвигателя с редкутором около 40 кг, длина около 40 см. Работает на дизельном топливе, может использовать так же и бензин и керосин. Как видете- характеристики более чем скромные. Фото этой машины, сделанное автором сайта — перед вами.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТУРБИН:

вообще надо сказать, что первые турбины в варианте действующих силовых машин были паровыми турбинами.

Еще в 1880-х годах 19-го века шведский инженер Густав Лаваль создал первую паровую турбину. Ему нужен был привод с большими оборотами вращения, и он остановил свой выбор на возможности создать двигатель в непрерывным вращением рабочего органа – колеса с лопатками. Ибо тихоходные поршневые паровые машины того времени никак не годились для этой задачи. Турбина Лаваля работала на оборотах более 40 тыс. оборотах в минуту. По конструкции она относится к радиальным турбинам, по своим конструкционным характеристикам она может быть только одноступенчатой, поэтому имеет небольшую мощность и высокий расход пара. Но при этом может «улавливать» потоки рабочего тела небольшого давления.

Параллельно со шведом Лавалем так же в 80-х годах 19-го века работал англичанин Парсонс, который создал паровую турбину осевого (аксиального) типа. Эта турбина была многоступенчатой и поэтому могла давать гораздо большие мощности, обладала меньшим расходом пара, чем турбина Лаваля на единицу мощности, и работала на меньших оборотах. Поэтому турбины Парсонса скоро начали ставить на морские суда, которые начали плавать с гораздо большими скоростями, чем суда с поршневыми паровыми машинами.

С конца 19-го века были попытки сконструировать на основе принципа лопаточной силовой машины- турбины двигатель внутреннего сгорания. Это были турбины немца Штольце, норвежца Эллинга и пр. Но только в 30-х годах англичанином Уиттлом была создана работоспособная газовая турбина с приемлемым КПД и достаточной мощностью.

Параллельно с Уитлом в Германии ханц фон Охайн и Макс Хан создавали газовую турбину своей конструкции. Обе конструкции турбины в конце 2-й мировой войны появились на боевых самолетах в качестве силовых установок. С тех пор газовые турбины прочно заняли место в авиации и вертолетной технике. А вот доля привода автомобилей, где требуются мощности в среднем не более 500 кВт, турбины не подходят, ибо в этой массогабаритной размерности они теряют свои основные преимущества и оказываются хуже и прожорливее поршневых ДВС. Отдельным типом техники оказываются паровые турбины, которые являются основными силовыми машинами в «большой» электроэнергетике и приводят в действие мощные генераторы больших газовых электростанций на атомном или газово-угольно-мазутном топливе.

РАЗДЕЛЕНИЕ ПО КОНСТРУКЦИИ ТУРБИН

Основные по разделению по геометрии рабочих колес турбин разделяются на:

радиальные турбины (турбины Лаваля);
осевые (аксиальные) турбины (турбины Прсонса);

Часто отдельным классом выделяют центробежные турбины, которые формально относятся к радиальным турбинам, но имеют специфическую, меняющую на 90 градусов геометрию лопаток. Такие турбины стоять в качестве рабочих колес на системах турбокомпрессоров в системах турбонаддува на автомобилях, и такие же колеса по геометрии часто стоят на гидроэлектростанциях.

Формально турбины по своей схеме работы главного рабочего органа относятся к роторным расширительным машинам (роторным двигателям). Только в отличие от привычных роторных двигателей турбина- это проточные машины, где нет запираемых герметичных камер сгорания и рабочее тело идет «на проток». Т.е. в газовых турбинах работает кинетическая энергия разогнанных во время сгорания до высоких скоростей газов, в то время как в роторных двигателях Ванкеля и других подобных машинах работает избыточное давление рабочих газов.

Исходя из этого, к турбинам можно отнести все роторные двигатели с простым вращательным движением главного рабочего органа (ротора) и не имеющих запорных элементов, совершающих возвратно-поступательное или качательное движение.

Подобным условиям отвечает конструкция роторного двигателя «системы Тверского», где все элементы совершают строго простое вращательное движение. Только в отличие от «проточных» газовых турбин, в роторном двигателе Тверского будет работать не кинетическая энергия движущееся газовой струи, а статическая сила газа высокого давления.

Т.е. подобная турбина будет работать в «пульсирующем режиме» на рабочем теле высокого давления, что оказывается залогом высокой эффективности – малого расхода рабочего тела и высокого КПД.

Газотурбинный двигатель. Фото. Строение. Характеристики.

Авиационные газотурбинные двигатели.

На сегодняшний день, авиация практически на 100% состоит из машин, которые используют газотурбинный тип силовой установки. Иначе говоря – газотурбинные двигатели. Однако, несмотря на всю возрастающую популярность авиаперелетов сейчас, мало кто знает каким образом работает тот жужжащий и свистящий контейнер, который висит под крылом того или иного авиалайнера.

Принцип работы газотурбинного двигателя.

Газотурбинный двигатель, как и поршневой двигатель на любом автомобиле, относится к двигателям внутреннего сгорания. Они оба преобразуют химическую энергию топлива в тепловую, путем сжигания, а после – в полезную, механическую. Однако то, как это происходит, несколько отличается. В обоих двигателях происходит 4 основных процесса – это: забор, сжатие, расширение, выхлоп. Т.е. в любом случае в двигатель сначала входит воздух (с атмосферы) и топливо (из баков), далее воздух сжимается и в него впрыскивается топливо, после чего смесь воспламеняется, из-за чего значительно расширяется, и в итоге выбрасывается в атмосферу. Из всех этих действий выдает энергию лишь расширение, все остальные необходимы для обеспечения этого действия.

А теперь в чем разница. В газотурбинных двигателях все эти процессы происходят постоянно и одновременно, но в разных частях двигателя, а в поршневом – в одном месте, но в разный момент времени и по очереди. К тому же, чем более сжат воздух, тем большую энергию можно получить при сгорании, а на сегодняшний день степень сжатия газотурбинных двигателей уже достигла 35-40:1, т.е. в процессе прохода через двигатель воздух уменьшается в объеме, а соответственно увеличивает свое давление в 35-40 раз. Для сравнения в поршневых двигателях этот показатель не превышает 8-9:1, в самых современных и совершенных образцах. Соответственно имея равный вес и размеры газотурбинный двигатель гораздо более мощный, да и коэффициент полезного действия у него выше. Именно этим и обусловлено такое широкое применения газотурбинных двигателей в авиации в наши дни.

А теперь подробней о конструкции. Четыре вышеперечисленных процесса происходят в двигателе, который изображен на упрощенной схеме под номерами:

забор воздуха – 1 (воздухозаборник)
сжатие – 2 (компрессор)
смешивание и воспламенение – 3 (камера сгорания)
выхлоп – 5 (выхлопное сопло)
Загадочная секция под номером 4 называется турбиной. Это неотъемлемая часть любого газотурбинного двигателя, ее предназначение – получение энергии от газов, которые выходят после камеры сгорания на огромных скоростях, и находится она на одном валу с компрессором (2), который и приводит в действие.

Таким образом получается замкнутый цикл. Воздух входит в двигатель, сжимается, смешивается с горючим, воспламеняется, направляется на лопатки турбины, которые снимают до 80% мощности газов для вращения компрессора, все что осталось и обуславливает итоговую мощность двигателя, которая может быть использована разными способами.

В зависимости от способа дальнейшего использования этой энергии газотурбинные двигатели подразделяются на:

турбореактивные
турбовинтовые
турбовентиляторные
турбовальные

Двигатель, изображенный на схеме выше, является турбореактивным. Можно сказать «чистым» газотурбинным, ведь газы после прохождения турбины, которая вращает компрессор, выходят из двигателя через выхлопное сопло на огромной скорости и таким образом толкают самолет вперед. Такие двигатели сейчас используются в основном на высокоскоростных боевых самолетах.

Турбовинтовые двигатели отличаются от турбореактивных тем, что имеют дополнительную секцию турбины, которая еще называется турбиной низкого давления, состоящую из одного или нескольких рядов лопаток, которые отбирают оставшуюся после турбины компрессора энергию у газов и таким образом вращает воздушный винт, который может находится как спереди так и сзади двигателя. После второй секции турбины, отработанные газы выходят фактически уже самотеком, не имея практически никакой энергии, поэтому для их вывода используются просто выхлопные трубы. Подобные двигатели используются на низкоскоростных, маловысотных самолетах.

Турбовентиляторные двигатели имеют схожую схему с турбовинтовыми, только вторая секция турбины отбирает не всю энергию у выходящих газов, поэтому такие двигатели также имеют выхлопное сопло. Но основное отличие состоит в том, что турбина низкого давления приводит в действия вентилятор, который закрыт в кожух. Потому такой двигатель еще называется двуконтурным, ведь воздух проходит через внутренний контур (сам двигатель) и внешний, который необходим лишь для направления воздушной струи, которая толкает двигатель вперед. Потому они и имеют довольно «пухлую» форму. Именно такие двигатели применяются на большинстве современных авиалайнеров, поскольку являются наиболее экономичными на скоростях, приближающихся к скорости звука и эффективными при полетах на высотах выше 7000-8000м и вплоть до 12000-13000м.

Турбовальные двигатели практически идентичны по конструкции с турбовинтовыми, за исключением того, что вал, который соединен с турбиной низкого давления, выходит из двигателя и может приводить в действие абсолютно что угодно. Такие двигатели используются в вертолетах, где два-три двигателя приводят в действие единственный несущий винт и компенсирующий хвостовой пропеллер. Подобные силовые установки сейчас имеют даже танки – Т-80 и американский «Абрамс».

Газотурбинные двигатели имеют классификацию также по другим при знакам:

по типу входного устройства (регулируемое, нерегулируемое)
по типу компрессора (осевой, центробежный, осецентробежный)
по типу воздушно-газового тракта (прямоточный, петлевой)
по типу турбин (число ступеней, число роторов и др.)
по типу реактивного сопла (регулируемое, нерегулируемое) и др.

Турбореактивный двигатель с осевым компрессором получил широкое применение. При работающем двигателе идет непрерывный процесс. Воздух проходит через диффузор, притормаживается и попадает в компрессор. Затем он поступает в камеру сгорания. В камеру через форсунки подается также топливо, смесь сжигается, продукты сгорания перемещаются через турбину. Продукты сгорания в лопатках турбины расширяются и приводят ее во вращение. Далее газы из турбины с уменьшенным давлением поступают в реактивное сопло и с огромной скоростью вырываются наружу, создавая тягу. Максимальная температура имеет место и на воде камеры сгорания.

Компрессор и турбина расположены на одном валу. Для охлаждения продуктов сгорания подается холодный воздух. В современных реактивных двигателях рабочая температура может превышать температуру плавления сплавов рабочих лопаток примерно на 1000 °С. Система охлаждения деталей турбины и выбор жаропрочных и жаростойких деталей двигателя — одни из главных проблем при конструировании реактивных двигателей всех типов, в том числе и турбореактивных.

Особенностью турбореактивных двигателей с центробежным компрессором является конструкция компрессоров. Принцип работы подобных двигателей аналогичен двигателям с осевым компрессором.